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干旱胁迫对水稻育性和抽穗影响的研究

贺红  
【摘要】: 水稻是世界上主要的粮食作物之一,水稻生产需要大量的水资源。当前,干旱已成为制约水稻生产的重要因素之一。据统计,全世界每年因干旱造成的损失占水稻总产量的50%左右。以往的研究发现干旱造成的损失程度与干旱发生的时期密切相关,水稻在整个生育期中,尤其开花期,是对干旱最敏感的时期。如这一时期发生干旱造成的产量损失可占到50-70%,主要原因是干旱影响了抽穗、花粉散粉、授粉以及籽粒的发育,但目前对这一领域的研究国内外报道较少,因此,揭示这一时期水稻对干旱响应的生理、分子机制将为水稻抗旱育种提供新的策略。 本研究将从干旱条件下水稻生殖期生理生化及分子生物学分析入手,研究穗下茎伸长与育性之间的关系。研究内容如下:1)水稻开花期抗旱性鉴定指标的筛选;2)不同发育时期干旱胁迫对水稻生理、生化特性的影响;3)利用基因芯片检测干旱胁迫对穗下茎基因表达的影响;4)水稻木葡聚糖转葡糖苷酶/水解酶(XTH)基因在干旱胁迫下的表达研究。结果如下: 对水稻在干旱条件下的产量及产量构成因素进行分析,结果显示,2006年旱季大田试验中,开花期进行干旱胁迫,产量仅为对照的21%,而2007年田间和盆栽试验表明,开花期对干旱最为敏感,其次是灌浆期和花粉减数分裂期。产量构成中,育性与产量具有正相关关系(r=0.85…)。败育的主要原因是干旱引起育性和抽穗率降低。 穗下茎伸长开始于抽穗前5天,伸长速率最快的时期是抽穗期;穗下茎伸长速率与产量及构成因素呈显著的相关性;同时穗下茎伸长速率与植株含水量也具有很高的相关性。同时分析了穗下茎伸长速率对育性的重要性,结果表明,穗下茎伸长速率与育性显著性相关;穗下茎发育被抵制可分别造成50%(敏旱)和26%(抗旱)的败育;穗下茎伸长速率与土壤可利用水分显著相关(r=0.84…)。 干旱胁迫对内源激素(ABA/GA)、碳水化合物的含量有明显的影响。结果表明,干旱显著的促进了ABA的产生,抗旱品种Apo随植株的发育,旗叶ABA的含量先降后升,而敏旱品种IR64则先升后降,IR64在开花期ABA含量最高,而Apo在开花期含量最低。干旱提高了穗下茎ABA的含量,而降低了GA含量,表明二者之间可能存在拮抗作用。而在碳水化合物变化方面,干旱降低对Apo、IRAT216和Lemont中碳水化合物含量,而干旱导致了IR64在开花期和灌浆期旗叶可溶性糖含量的显著性增加和穗下茎可溶性糖的降低。这可能与干旱抑制了旗叶碳水化合物的转出和穗下茎碳水化合物的匮乏有关,从而抑制了穗下茎的伸长。旗叶ABA与可溶性糖和淀粉之间具有显著正相关性(0.81,P0.01和0.56,P0.05)。 干旱胁迫对颖花散粉也有显著的影响,结果表明,干旱显著降低了柱头的花粉数目以及开花期和减数分裂期的花粉的育性;干旱也抑制了花粉的萌发和花粉管的延伸。 干旱胁迫下败育颖花处于不同的败育类型。本试验观察了不同发育时期胁迫败育颖花类型的分布情况。结果显示,灌浆期的大部分败育颖花类型处在败育和半粒阶段;而开花期和减数分裂期,主要在花药伸长但未散粉和散粉但未授粉两种类型;其他时期与对照类似,无显著差异。 在产量构成因素中,千粒重是一个比较重要的产量因子。本研究分析了不同发育时期干旱胁迫对籽粒粒重、长度和宽度的影响。结果表明,单粒重具有双峰而粒长、宽具有单峰的特性。这有助于区分干旱胁迫下育性的分布以及对颖壳发育的影响。 利用基因芯片技术分析了干旱胁迫、ABA处理以及复水1天后的穗下茎伸长区在抽穗前2天的基因表达。结果表明,不同处理对基因的调控是不同的。干旱处理下,有204个基因上调和183个基因下调;而在ABA处理下,有326个基因上调和396个基因下调。这些基因的功能主要参入了DREB转录、LEA蛋白、细胞伸长、碳水化合物代谢、能量代谢以及氨基酸代谢。其中,两种胁迫共同影响了DREB、LEA和膨胀素基因的表达。复水后,大部分基因的表达量恢复到对照水平,但仍有部分基因被上调或抑制。表明,这些差异表达基因或许也参入了干旱胁迫下,调控穗下茎的伸长。 木葡聚糖转葡糖苷酶/水解酶具有松弛细胞壁并促进细胞伸长的作用。本研究中,利用实时RT-PCR检测了OsXTH基因家族在不同干旱胁迫处理下的基因表达情况。结果表明,该家族成员在穗下茎伸长区中的表达具有不同的表达模式。其中2个基因被干旱激活而11个被抑制。OsXTH10, OsXTH16, OsXTH19, OsXTH22 and OsXTH24对干旱极其敏感,表达量在中度胁迫下就降低了5-10倍。同时,有3个基因在穗下茎中不表达,3基因个对干旱没有响应;有11个(OsXTH2, OsXTH5, OsXTH8, OsXTH9, OsXTH11, OsXTH17, OsXTH19, OsXTH20, OsXTH27, OsXTH28 and OsXTH29)被激活或抑制的基因的表达量与穗下茎的伸长速率和叶片气孔导度之间具有很高的相关性。同时研究发现,在不同干旱胁迫水平处理下,不同基因之间具有4种不同的表达模式。


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